氷に食塩を加えると、氷がとけながら、混合物の温度が0℃より低くなることがあります。「とけるなら温かくなるのでは？」と感じるところですが、氷がとけることと、温度が上がることは同じ現象ではありません。氷が水になるには熱が必要です。その熱がどこから来るのかを追います。
食塩が氷の表面の水に溶けると、その水溶液が凍り始める温度は純粋な水より低くなります。その条件では、0℃付近でも氷がさらにとける方向へ変化が進めます。融解に必要な熱を周囲や混合物から受け取るため、混合物の温度が下がることがあるのです。
食塩が「冷たさ」を放出するわけではない
冷たさという物が食塩から出て氷へ移る、と考えると、熱の向きを見失います。図には、温かい側から冷たい側へ熱が移る矢印を書きます。氷と食塩の混合物に、別の容器に入れた材料を接触させれば、材料から熱が奪われ、冷やされます。
食塩が水に溶けるときの熱の出入りもありますが、氷を含むこの場面では、氷の融解に必要な熱が重要です。「塩が溶けるから」だけで終えると、氷が減っていくこととのつながりが抜けます。塩の溶解と、氷の融解を別の変化として書き分けましょう。
0℃を下回っても、液体の水がある
純粋な水と氷を考えたときの0℃という目安を、食塩水へそのまま移すことはできません。食塩水では、濃さによって凍り始める温度が変わります。したがって、温度計がマイナスを示し、液体も残っていることは矛盾ではありません。
一方で、塩を増やすほど温度が際限なく下がるわけでもありません。氷と水と食塩の量、初めの温度、周囲から入る熱などが関わります。すでに氷がなくなった液体へ、同じ操作を続けても、氷がとける際の吸熱を使い続けることはできません。
例題1：温度の記録から言える範囲
架空の観察記録です。氷と少量の水の入った容器へ食塩を加えたところ、温度は0℃から－6℃へ変わり、氷の量は減りました。「氷がとけるとき、まわりへ熱を出したから温度が下がった」という説明は適切ですか。熱の出入りを直してください。
答え・解説： 適切ではありません。氷が水になる融解では熱を受け取ります。混合物の温度低下と氷の減少をつなぐなら、融解のために熱が必要で、周囲や混合物から熱を受け取ったと整理します。氷が凍るときの熱の放出と逆にならないようにします。
ただし、この記録の温度だけから、とけた氷が何gかを計算することはできません。氷や水の量、容器の性質、周囲との熱のやり取りなどが分からないためです。温度の変化を見たことと、出入りした熱の総量を測ったことを分けます。
温度差だけで、冷やす力を比べない
少量の混合物が低い温度になっていても、大量の温かい物を長く冷やせるとは限りません。材料を入れると混合物へ熱が流れ込み、温度や氷の残り方が変わります。スタート時の温度一つだけで、冷却を続けられる時間まで決めることはできないのです。
比べる実験では、氷、水、食塩の量、容器、入れる材料の量と初めの温度をそろえ、一定時間ごとに温度を記録します。最低温度だけの順位と、材料が目的の温度へ達するまでの時間の順位が、必ず一致するとは限りません。何を「よく冷える」と呼んでいるかを先に決めましょう。
例題2：容器の外側と内側を分ける
氷と食塩の混合物を大きな容器に入れ、その中へ、食塩を入れていない水の入った小さな容器を置きました。二つの液体は混ざらない構造とします。小さな容器の水が冷えて凍り始めました。「中の水へ食塩が移ったから凍った」と説明できますか。熱はどちら向きに移りますか。
答え・解説： その説明はできません。液体は混ざらない条件だからです。初めに内側の水が外側の混合物より温かければ、熱は内側の水から容器の壁を通り、外側へ移ります。内側の水が凍るときに放出する熱も、外側へ移る必要があります。
塩を加えたのは外側だけです。内側の水まで同じ濃さの食塩水になったとして計算してはいけません。図で容器の壁を一本描き、物質が通る道と熱が通る道を区別すると、「混ざらないのに冷える」という関係が理解できます。
実験の操作より先に、図で熱を追う
この組み合わせは氷点下になる場合があるので、混合物を素手で長く触ることは避けます。観察では適切な容器や温度計を使い、大人の管理下で扱います。ここでは、教材の図や記録から熱の向きを読むことを中心にします。塩を入れた容器の中身を飲食する手順ではありません。
凝固の温度と濃さについては食塩水が凍り始める温度、温度と熱量の区別は水の量と温度上昇へ。氷が減る、温度が下がる、別の物が冷える。この三つを、熱の矢印で一続きに説明してみてください。